纳米ZnO改性沥青技术性能的研究

汤乾斌，侯少令

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海市 200092； 2.山东路盛公路工程有限公司 荷泽市 274000)

0 引言

高速公路沥青路面出现的坑槽、麻面、泛油等病害不仅严重影响了沥青路面的使用性能，还增加了沥青路面的养护成本。越来越多的公路学者将无机纳米材料作为一种改性材料添加至基质沥青中，以期获得性能优良的改性沥青，从而减少沥青路面的病害问题[1-3]。纳米ZnO作为一种无机纳米材料，具有独特的光、磁、电、宏观量子隧道效应及量子尺寸效应，若将其作为改性材料应用到改性沥青中，则可能会改善沥青的路用性能[4]。

基于此，通过高速剪切共混法将纳米ZnO掺加至基质沥青中，获得一系列不同纳米ZnO掺量的改性沥青，并对其进行常规物理性能分析，以探究纳米ZnO对基质沥青的改性效果及改性机理。

1 试验部分

采用韩国SK70#基质沥青，技术性能如下：针入度(25℃，100g，5s)68.5(0.1mm)；软化点46.2℃；延度(15℃)1300mm。采用的纳米ZnO产自北京德科岛金科技有限公司，技术参数：含量99.9%；比表面积60m2/g；平均粒度40nm。

制备方法：首先将基质沥青加热至充分熔融状态，再加入预先称量好的纳米ZnO，随后用高速剪切乳化机以3000r·min-1的转速对其进行高速剪切，持续约30min，即得到纳米ZnO掺量分别为1%、3%、5%及7%的改性沥青。

2 结果与讨论

2.1 纳米ZnO对沥青软化点的影响

由图1可看出，随着纳米ZnO掺量的增加，改性沥青的软化点呈不断上升的趋势，这表明纳米ZnO能够显著改善沥青的高温性能。分析原因，一方面，纳米氧化锌的比表面积较大，其独特的层状结构会吸附沥青体系中的轻质组分，使得沥青质的含量相对增加，从而提高了改性沥青体系的黏稠度；另一方面，在高速剪切过程中，部分纳米ZnO的分子结构受到破坏，产生了一些易与沥青组分反应的化学键，这种化学缔合作用也会增加沥青的高温性能。

图1 纳米ZnO改性沥青的软化点变化趋势图

2.2 纳米ZnO对沥青针入度的影响

由图2可看出，随着纳米ZnO掺量的增加，改性沥青的针入度呈不断减小的趋势。沥青的针入度反映了沥青在测定温度条件下的黏度和硬度，是沥青体系内聚力的一种体现。由针入度试验可知，纳米ZnO的掺入极大提升了沥青的黏稠度，这是因为纳米ZnO的表面活化能较大，与沥青的结合较为紧密。因此，可判断纳米ZnO能够有效改善沥青体系的黏稠度与内聚力，从而增强沥青体系的高温性能。

图2 纳米ZnO改性沥青的针入度变化趋势图

2.3 纳米ZnO对沥青延度的影响

由图3可看出，随着纳米ZnO掺量的增加，改性沥青的延度值呈不断下降的趋势，这表明纳米ZnO对沥青的低温延展性及抗开裂性能有着不利影响。究其原因，主要是因为纳米ZnO作为一种无机纳米粒子，在低温条件下，会从改性沥青体系中脱附出来，其刚度比沥青大很多，会形成应力集中现象，从而阻碍了沥青试样的低温延展性。

图3 纳米ZnO改性沥青的延度变化趋势图

2.4 纳米ZnO对沥青感温性能的影响

沥青是一种典型的温度敏感性材料，其性能也会随着温度的改变而发生变化，因此有必要对其感温性做出分析，选取针入度指数PI作为评价指标，相应的试验结果如图4所示。

由图4可知，随着纳米ZnO掺量的增加，PI值曲线呈现出先增大后变小的变化趋势，但均大于基质沥青，当掺量为5%时，改性沥青的PI值达到了最大，这表明纳米ZnO的掺入能够有效改善沥青的温度敏感性能。这主要是因为，纳米ZnO的掺入显著增加了沥青体系的内聚力与黏稠度，从而降低了沥青的感温性。而由图中可看出，随着纳米ZnO掺量的进一步增大，改性沥青的PI值则出现降低趋势，表明过多掺量的纳米ZnO反而会对沥青的温度敏感性造成不利影响，这可能是因为当纳米ZnO掺量过多时，其在沥青基体中的分散性较差所致。

图4 纳米ZnO改性沥青的PI值趋势图

3 结论

通过高速剪切共混法将纳米ZnO掺加至基质沥青中，获得一系列不同纳米ZnO掺量的改性沥青，并对其分别进行软化点、针入度、延度及温度敏感性试验，根据试验结果，分析了纳米ZnO对基质沥青的改性效果及改性机理，得到的主要结论如下：

(1)软化点与针入度试验表明，随着纳米ZnO的掺入，其独特的结构会吸附沥青体系中的轻质组分，使得沥青质的含量相对增加，从而提高了改性沥青体系的黏稠度与体系的内聚力，进而增强改性沥青的高温性能。

(2)低温延度试验表明，在低温条件时，纳米ZnO与沥青的粘附性下降，其刚度比沥青大很多，会形成应力集中现象，进而阻碍了沥青试样的低温延展性，因此纳米ZnO对沥青的低温延展性及抗开裂性能有着不利影响。

(3)温度敏感性试验表明，适宜掺量的纳米ZnO会显著改善沥青的感温性能，但掺量过多时，反而会对沥青的温度敏感性造成不利影响。